[논문 리뷰] Thermalization of dense hadronic matter in Au + Au collisions at the energies available at FAIR

Somnath De, Sudipan De외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 06.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 FAIR 에너지(10–40 A GeV)에서 중심부 Au+Au 충돌로 생성된 밀도 높은 강입자 물질에서 열평형 시간스케일을 조사하기 위해 UrQMD 운동론 모델을 사용한다. 국소 열역학적 평형이 약 ~1–2 fm/c 내에 도달하며, 압력 이방성의 등방화와 에너지 스펙트럼의 열평형이 거의 동시에 발생하고, 30 A GeV에서 엔트로피 진동이 이상 유체역학과 유사하게 나타나, 높은 양성자 밀도에서의 유체역학적 행동이 관찰된다.

ABSTRACT

The conditions of local thermodynamic equilibrium of baryons (non-strange, strange) and mesons (strange) are presented for central Au + Au collisions at FAIR energies using the microscopic transport model UrQMD. The net particle density, longitudinal-to-transverse pressure anisotropy and inverse slope parameters of the energy spectra of non-strange and strange hadrons are calculated inside a cell in the central region within rapidity window $|y| < 1.0$ at different time steps after the collision. We observed that the strangeness content is dominated by baryons at all energies, however contribution from mesons become significant at higher energies. The time scale obtained from local pressure (momentum) isotropization and thermalization of energy spectra are nearly equal and found to decrease with increase in laboratory energy. The equilibrium thermodynamic properties of the system are obtained with statistical thermal model. The time evolution of the entropy densities at FAIR energies are found very similar with the ideal hydrodynamic behaviour at top RHIC energy.

연구 동기 및 목표

• 중심부 Au+Au 충돌에서 FAIR 에너지로 생성된 고밀도 양성자 물질에서 국소 열평형에 필요한 시간스케일을 규명하는 것.
• 고양성자 밀도에서 형성된 밀도 높은 강입자 물질이 유체역학 모델이 요구하는 국소 열역학적 평형에 도달하는지 평가하는 것.
• 중앙 속도 영역에서 비이상 및 이방성 양성자 및 메손의 열평형 역학을 비교하는 것.
• 엔트로피 밀도 진동을 평가하고 이상 유체역학적 행동과 비교하여 시스템의 유체성 여부를 추론하는 것.
• 평형 상태 이후 통계적 열역학 모델을 사용하여 온도(T), 양성자 화학적 포텐셜(μB), 이방성 화학적 포텐셜(μS) 등의 열역학적 매개변수를 추출하는 것.

제안 방법

• 10A, 20A, 30A, 40A GeV에서 중심부 Au+Au 충돌을 시뮬레이션하기 위해 기본 캐스케이드 모드로 UrQMD(초상대론적 양자 분자역학 모델)를 사용하였다.
• |y| < 1.0 영역 내 8 fm³ 셀에서 네트워크 양성자 및 메손 밀도의 시간 진동, 縦방향-횡방향 압력 이방성, 에너지 스펙트럼의 역기울기 계수를 분석하였다.
• 압력 이방성 비율(P_L/P_T)을 사용하여 열평형 시작 시점의 운동량 등방화를 추적하는 지표로 활용하였다.
• 에너지 스펙트럼의 역기울기 계수를 추적하여 입자 운동량 분포의 열평형 수준을 평가하였다.
• 평형 상태 이후 입자 스펙트럼에서 통계적 열역학 모델을 적용하여 온도(T), 양성자 화학적 포텐셜(μB), 이방성 화학적 포텐셜(μS)을 추출하였다.
• 엔트로피 밀도의 시간 진동을 이상 유체역학 모델(τ⁻².⁶ 스킴)과 비교하여, √sNN = 200 GeV 조건에서의 유체역학적 행동 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FAIR 에너지에서 중심부 Au+Au 충돌에서 밀도 높은 강입자 물질의 국소 열평형에 필요한 시간스케일은 무엇인가?
• RQ2 비이상 및 이방성 양성자 및 메손의 열평형 시간스케일은 어떻게 비교되며, 열평형 속도에 계층적 차이가 존재하는가?
• RQ3 특히 고양성자 밀도에서 시스템의 엔트로피 밀도 진동이 이상 유체역학적 행동과 어느 정도 유사한가?
• RQ4 통계적 열역학 모델에서 추출한 열역학적 매개변수(T, μB, μS)는 경험적 동결-출구 관계와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 점성 계수 대 엔트로피 밀도 비율(η/s)이 관측된 유체역학적 행동에 영향을 미치는가? 그리고 이 비율은 입사 에너지에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 중앙 영역에서 국소 열역학적 평형이 약 ~1–2 fm/c 내에 도달하며, 압력 이방성(P_L/P_T) 비율이 1에 수렴한다.
• 압력의 등방화 시간스케일과 에너지 스펙트럼의 열평형 시간스케일은 거의 동일하며, 이방성 양성자에 대해서는 비이상 양성자보다 약 0.5 fm/c의 지연이 있다.
• 순수 양성자 밀도는 30–40 A GeV에서 최고에 도달하며, 모든 에너지에서 이방성이 양성자에 의해 지배되지만, 고에너지에서는 메손(카이온) 기여가 상당히 크다.
• 30 A GeV에서 엔트로피 밀도 진동은 √sNN = 200 GeV에서 이상 유체역학의 τ⁻².⁶ 스킴과 거의 일치하여, 유체역학적 행동이 관찰된다.
• 10 A GeV에서는 이상 유체역학의 한계를 초월해 엔트로피 밀도가 더 빠르게 감소하여, 더 낮은 η/s 비율을 시사하며, 이는 더 이상의 이상 유체역학적 행동일 수 있음을 시사한다.
• 통계적 열역학 모델을 통해 추출한 열역학적 매개변수(T, μB, μS)는 T–μB 평면에서 경험적 동결-출구 경향과 일치한다.